Ydinvoima
- Ydinvoima tarkoittaa myös atomiytimen hiukkasten välistä vuorovaikutusta: katso ydinvoima (fysiikka)
Ydinvoima tai ydinenergia on energianlähde, joka perustuu hallittuun atomiydinten fissio- tai fuusioreaktioon tai muihin ydinreaktioihin kuten radioaktiiviseen hajoamiseen. Ydinvoiman tuotannossa osa ydinpolttoaineen atomien massasta muuttuu energiaksi, joten ydinpolttoaineen energiasisältö on hyvin suuri tavanomaisiin polttoaineisiin verrattuna.
Sanat atomivoima ja atomienergia ovat ydinvoiman synonyymejä, mutta eivät yhtä suositeltavia koska ydinvoima perustuu nimenomaan atomin ytimen reaktioiden hyödyntämiseen. Ydinvoima on siten linjassa sanojen kuten ydinfysiikka ja ydinreaktori kanssa.
Ydinvoiman muodot
Ydinvoimaa käytetään pääasiassa ydinvoimalaitoksissa sähköntuotantoon ja ydinkäyttöisillä aluksilla voimanlähteenä sekä vähemmässä määrin voimanlähteenä mm. avaruudessa, majakoissa, vedenpuhdistuksessa ja tutkimuksessa. Suurin osa ydinvoimasta on sähkön tuotantoa ydinreaktorilla. Reaktorissa hallittu fissioreaktio tuottaa lämpöä, joka jäähdytyskierrolla johdetaan turbiineihin ja muunnetaan siten mekaaniseksi energiaksi ja jälleen generaattorilla sähköenergiaksi. Täten toimivat ydinvoimalaitokset ja ydinkäyttöisten laivojen ydinreaktorit. Harvinaisempaa on radioaktiivisen hajoamisen tuottaman energian hyödyntäminen, jota tapahtuu mm. avaruusluotaimissa. Hallitulla fuusioreaktiolla ei toistaiseksi ole tuotettu energiaa muuta kuin tutkimustarkoituksissa, mutta ydinfuusio voi tulevaisuudessa muodostua tärkeäksi energianlähteeksi.
Fissio
- Pääartikkeli: Fissio
Ylivoimaisesti merkittävin ydinvoiman muoto on hallitun fissioreaktion hyödyntäminen. Fissiossa atomiydin halkeaa kahdeksi tai useammaksi kevyemmäksi atomiytimeksi ja atomi hajoaa yhtä moneksi kevyemmän alkuaineen atomiksi. Lisäksi reaktiossa ytimestä sinkoutuu neutroneita ja osa sen massasta muuttuu energiaksi.
Eräissä alkuaineissa voi suotuisissa olosuhteissa syntyä ketjureaktio, jossa fissiossa vapautuvat neutronit törmäävät muihin atomeihin ja aiheuttavat täten uusia fissioita. Jos kussakin fissiossa vapautuneet neutronit aiheuttavat keskimäärin ainakin yhden uuden fission, ketjureaktio pysyy käynnissä, muutoin se väistämättä pysähtyy. Ydinreaktorin säätö perustuu yleensä vapaiden neutronien absorbointiin säätösauvoilla tai muilla keinoilla. Vain harvat aineet pystyvät ylläpitämään ketjureaktiota eli ovat fissiilejä. Ydinpolttoaineessa käytetään yleensä uraanin fissiiliä isotooppia U-235 tai plutoniumin fissiiliä isotooppia Pu-239 tai molempia. Plutonium tuotetaan keinotekoisesti ydinreaktorilla, mutta uraania esiintyy luonnossa. Luonnon uraaniesiintymissä tiedetään jopa syntyneen luonnonydinreaktoreita, joissa ketjureaktio on käynnistynyt itsestään ja pysynyt käynnissä kunnes polttoaine on loppunut.
Fuusio
- Pääartikkeli: Fuusioreaktio
Fissiolle vastakkainen reaktio on fuusio, jossa kaksi kevyen alkuaineen atomiydintä yhdistyy muodostaen uuden raskaamman alkuaineen. Samalla vapautuu hyvin suuria määriä energiaa. Yleensä fuusiossa yhdistyy kaksi vetyatomia muodostaen heliumatomin. Fuusioreaktion vaatima suunnattoman korkea lämpötila ja siihen liittyvät ongelmat ovat tähän asti osoittautuneet suureksi tekniseksi esteeksi hallitun fuusioreaktion energiakäytössä. Toistaiseksi fuusion voimalaitoskäyttö vaikuttaisi olevan vähintään vuosikymmenien päässä. Luonnossa Auringon ja muiden tähtien energia on peräisin fuusioydinreaktiosta. Auringon energia on maapallon pääasiallinen energianlähde, sillä kaikki ihmisen käytössä oleva energia ydinvoimaa ja maanlämpöä lukuunottamatta ovat tavalla tai toisella lähtöisin auringosta.
Radioaktiivisuus energianlähteenä
Radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuu energiaa, jota voidaan hyödyntää suhteellisen vähän energiaa kuluttuvissa käyttötarkoituksissa. Radioaktiivisuudelle perustuva isotooppiparisto (RTG) on ennustettavissa oleva, vakaa ja pitkäikäinen voimanlähde syrjäisiin tai muuten eristettyihin järjestelmiin. Tyypillisiä käyttötarkoituksia ovat majakat, avaruusluotaimet ja satelliitit, aiemmin myös sydämentahdistimet. Hyvin pienet määrät radioaktiivista ainetta riittävät myös antaman energiaa valonvahvistimen toimintaan, itsevalaiseviin pintoihin joissain pimeässä näkyvissä kylteissä sekä mittaristojen, kompassien tai kellojen viisareissa yms. Luonnossa radioaktiivinen hajoaminen on maan sisäisen lämmön lähde ja siten mm. tulivuorten ja kuumien lähteiden voimanlähde. Tätä kautta radioaktiivista hajoamista käytetään energiantuotannossa maalämpövoiman avulla mm. Islannissa ja Japanissa.
Ydinvoiman historia
Jo eräät antiikin filosofit (etenkin Demokritos) teoretisoivat, että aine ei ole luonteeltaan yhtenäistä, vaan koostuu äärimmäisen pienistä yksiköistä, atomeista. Antiikin filosofeille atomi oli jakamaton, mitä atomin kreikankielinen nimi atomos tarkoittaakin. Nykyaikaisessa tieteessä atomikäsitteen juuret ovat jossain määrin Daniel Bernoullin yrityksessä mallintaa aineen käyttäytymistä atomeilla vuonna 1738 ja etenkin John Daltonin varhaisella 1800-luvulla tekemissä tutkimuksissa, jotka osoittivat eräiden aineiden, jotka nyttemmin tiedetään alkuaineiksi, muodostavan yhdisteitä täsmällisissä kokonaisluvuin ilmaistavissa suhteissa. Tämä viittasi vahvasti aineen atomiluonteeseen.
Ensimmäiset vihjeet siitä, että atomin itsensä sisällä esiintyy reaktioita, saatiin 1896, kun Antoine Henri Becquerel löysi radioaktiivisuuden. Ytimen olemassaolosta saatiin viitteitä 1919, kun Ernest Rutherford altisti typpikaasun alfahiukkassäteilylle: osa hiukkasista törmäsi ja jäi typpiatomiin transmutatoiden eli muuttaen ne hapeksi. Reaktiossa atomi emittoi protonin, jonka myöhemmät tutkimukset osoittivat ydinhiukkaseksi. Toisen ydinhiukkasen, neutronin, löysi Sir James Chadwick 1932. Pian italialainen Enrico Fermi kollegoineen havaitsi, että uraaniin törmätessään hitaat neutronit synnyttävät kohteessa ainakin neljää erilaista ainetta. Vähän myöhemmin saksalaiset Otto Hahn ja Fritz Strassmann osoittivat, että reaktiossa uraaniatomit halkeavat. Keinotekoinen fissio oli keksitty.
1939 Fermi pakeni Italian fasisteja Yhdysvaltoihin; Niels Bohr puolestaan pakeni natsimiehitystä Tanskasta. He aloittivat yhteistyön Columbian yliopistossa ja kehittivät energianlähteeksi käyvän ketjureaktion käsitteen. Energiakäytöstä tutkimuksen painopiste siirtyi kuitenkin nopeasti ydinaseen kehittämiseen, sillä natseja paenneet eurooppalaiset tiedemiehet, Albert Einstein eritoten, näkivät atomiaseella varustetun Natsi-Saksan realistisena uhkana, johon oli välttämättä varauduttavana.
1940 alkoi Yhdysvaltain hallituksen Manhattan-projekti, jonka tavoitteena oli ydinaseen kehittäminen. 1942 Enrico Fermi rakensi ensimmäisen kokeellisen ydinreaktorin Chicagon yliopistoon. Tämä oli ensimmäinen kerta maailmanhistoriassa kun ihminen toteutti hallitun fissioiden ketjureaktion. Vuotta myöhemmin Oak Ridgessä kokeiltiin plutoniumin tuotantoon tarkoitettua reaktoria ja vuoteen 1945 Hanfordissa oli käynnissä kolme täysimittaista reaktoria. Ensimmäistä ydinpommia testattiin Alamogordon lentotukikohdassa Uudessa Meksikossa heinäkuussa 1945. Tähän mennessä Saksa oli jo antautunut, mutta yhdysvaltojen sotavoimat eivät malttaneet olla käyttämättä uutta tuhovoimasta asetta keisarillista Japania vastaan. Seurauksena oli Hiroshiman ja Nagasakin kaupunkien tuhoaminen ydinpommeilla sodan viimeisinä viikkoina.
Sodan jälkeen ydinohjelmat ympäri maailman keskittyivät ydinaseiden hankkimiseen, sillä kylmän sodan alku johti ripeään kilpavarusteluun. Omat reaktorityyppinsä asetuotannon tarpeisiin kehittivät Neuvostoliitto, Iso-Britannia ja Ranska. Huoli ytimen energian sotilaallisen käytön vaaroista johti vaatimuksiin sen energian käyttämisestä ennemmin ihmiskunnan tarpeiden palveluksessa. Sota oli osoittanut, kuinka mahtava voima atomiin kätkeytyy ja sen saattamista rauhanomaiseen käyttöön vaati muun muassa presidentti Eisenhower kuuluisassa Atomit rauhan puolesta -puheessaan. 40- ja 50-lukujen vaihteessa aloitettiinkin ensimmäiset hankkeet sähkön tuottamiseksi ydinvoimalla.
Ensimmäinen sähköntuotantoon tarkoitettu ydinreaktori aloitti toimintansa Neuvostoliitossa, Obninskissa lähellä Moskovaa vuonna 1954. 1956 Calder Hallissa, Englannissa aloitti toimintansa ensimmäinen kaupallinen ydinvoimala. 1957 aloitti toimintansa ensimmäinen ydinvoimala Yhdysvalloissa Shippingportissa.
1950-luvun jälkeen ydinvoimaloiden määrä on kasvanut huomattavasti. Vuoteen 1964 mennessä maailmassa oli 14 reaktoria kytkettynä sähköverkkoon, vuonna 1970 81 reaktoria, vuonna 1975 jo 167, vuonna 1985 365 ja vuonna 1999 428. Ydinvoimalla tuotetaan tätä nykyä noin 16 % maailman sähköstä [1] ja 6,5 % kaikesta energiasta [2], mikä on vain hieman vesivoiman osuutta vähemmän. Nykyisin monissa teollisuusmaissa ydinvoiman käytön lisääminen on hidastunut tai estetty poliittisista syistä, ja energiankulutuksen kasvua katetaan pääasiassa fossiilisin polttoainein.
Ydinvoimalaitos
Ydinvoimalaitoksen pääosat ovat
- Reaktori
- Pääkiertopiiri eli primääripiiri
- Toisiopiiri eli sekundääripiiri
- Turbiinigeneraattori eli turbogeneraattori
- Lauhdutin
Ydinvoimalaitoksessa ydinreaktori tuottaa lämpöä, joka kuumentaa pääkiertopiirin vettä. Laitostyypistä riippuen joko pääkiertopiirin vesi höyrystyy, pyörittää turbiinia ja lauhdutetaan tai sitten pääkiertopiirin vesi johdetaan erillisiin höyrystimiin, joissa toisiopiirin vesi höyrystetään turbiiniin ja lauhduttimeen. Turbiiniin on kytketty generaattori, jolla tuotetaan sähköä. Lauhduttimessa suljetun vesikierron vesi lauhdutetaan höyrystä jälleen vedeksi. Lauhdutinta jäähdytetään joko vesistöstä saatavalla vedellä tai jäähdytystornien avulla. Ydinvoimalaitoksen materiaalivirrat ovat käytön aikana suljettuja: polttoaineen syöttöä ei tapahdu, eikä savukaasuja muodostu tai muita haitallisia päästöjä aiheudu.
Radioaktiiviset aineet on eristetty ensisijaisesti reaktoripaineastiaan, ja lisäksi ympäristöstä eristettyyn ns. kontainmenttiin (containment, engl., tässä: sisällytys, eristys, rajoitus). Reaktori sisältää kaiken ydinvoimalaitoksen ydintekniikan. Muut osat ovat tavallista voimalaitostekniikkaa ja niistä saa tietoa yleistä energiatekniikka käsittelevistä artikkeleista. Tässä artikkelissa keskitytään ydinvoimalaitoksen ydintekniseen osaan.
Ydinreaktori
- Pääartikkeli: Ydinreaktori
Ydinreaktoreita voidaan jaotella monella eri tavalla. Yksi tapa on hidastinaineen mukaan kevytvesireaktoreihin, raskasvesireaktoreihin ja grafiittihidasteisiin reaktoreihin. toinen on jäähdytyksen mukaan mm. kaasujäähdytteisiin ja kiehutus- ja painevesireaktoreihin. Maailman voimalaitosreaktorit ovat pääosin kevytvesireaktoreita, joko painevesi- tai kiehutusvesityyppiä. Varsinkin uudet voimalaitokset käyttävät lähes yksinomaan kevytvesireaktoreita.
Reaktoriin ladataan ydinpolttoainetta yleensä kolmen vuoden ajaksi huoltoseisokkien yhteydessä, paitsi eräissä harvinaisissa reaktorityypeissä (mm. CANDU), jotka sallivat polttoaineen vaihdon reaktorin ajon aikana. Reaktorin käydessä polttoaineessa tapahtuu fissioketjureaktio, joka pitää itseään yllä. Reaktorin säätö tapahtuu ketjureaktiota ylläpitävää neutronivuota hallitsemalla.
Reaktorin säätö
Kevytvesireaktorin käynnissä pysyminen vaatii kolmea asiaa:
- rikasta ydinpolttoainetta joka reagoi,
- neutroneja jotka aiheuttavat fissiot sekä
- hidastinainetta joka jarruttaa neutroneja niin etteivät ne karkaa reaktorista aiheuttamatta fissiota.
Tätä voi verrata tulisijaan, jossa tarvitaan polttoainetta, kuumuutta ja happea tulen ylläpitämiseksi. Jos yksikin menetetään, reaktio ei kykene jatkumaan.
Kevytvesireaktori on suunniteltu siten, että toimiessaan kolme ehtoa täyttyvät juuri ja juuri. Reaktorin säätöä varten reaktorisydämestä voidaan poistaa tai sinne voidaan käytön aikana lisätä neutroneja absorboivia säätösauvoja. Täten reaktorin teho voidaan valita vapaasti suunnitellulta tehoalueelta. Toisaalta reaktori voidaan sammuttaa milloin tahansa työntämällä tarpeeksi säätösauvoja reaktoriin. Sammuttaminen kestää noin sekunnin.
Kevytvesireaktorin luonteeseen kuuluu, että se on itsestään, fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta vakaa. Vaikka operaattori tai automatiikka ei hallitsisi reaktoria, syystä tai toisesta tapahtuva ketjureaktion kiihtyminen johtaisi lämpötilan nousuun, joka aiheuttaisi lämpölaajenemista polttoaineessa ja höyrystymistä hidastinaineena toimivassa vedessä. Koska ketjureaktio pysyy käynnissä vain juuri ja juuri, nämä riittävät hillitsemään reaktion. Tästä syystä kevytvesireaktorin ketjureaktion on fysikaalisesti mahdotonta "karata käsistä". (Choppin et al., 2002)
Reaktorityypit
- Kevytvesireaktorit
Ydinvoimareaktorien selkeä pääosa on kevyvesireaktoreita. Varsinkin uusissa voimalaitoksissa miltei kaikissa on kevytvesireaktori, joita on kahta tyyppiä:
- painevesireaktori (PWR (engl.)/VVER (ven.))
- kiehutusvesireaktori (BWR)
- Grafiittihidasteiset reaktorit
Lähinnä Britanniassa käytetään kaasujäähdytteisiä, grafiittihidasteisia reaktoreja, mutta uusimmat voimalaitokset käyttävät kevytvesireaktoreita. RBMK-reaktori on vesijäähdytteinen grafiittihidasteinen reaktori, jota käytetään lähinnä Venäjällä. RBMK on surullisenkuuluisa Tšernobylin onnettomuusreaktorina. RBMK:ssa on useita vain sille tyypillisiä suunnittelupuutteita jotka osaltaan mahdollistivat onnettomuuden. Esimerkiksi toisin kuin kevytvesireaktorit, se ei ole kaikilla tehoalueilla luonnostaan vakaa mikä Tšernobylissä mahdollisti onnettomuuden käynnistäneen nopean tehopiikin.
- Raskasvesireaktorit
Kanadassa kehitetty CANDU voi käyttää luonnonuraania polttoaineenaan, joten uraanin rikastamista ei vaadita. Toisaalta reaktori tarvitsee miltei yhtä vaikeasti valmistettavaa raskasta vettä. CANDUn polttoainetta voi vaihtaa reaktorin käytön aikana, mikä tekee ydinaineiden valvonnasta kevytvesireaktoreita hankalampaa.
- paineistettu raskasvesireaktori (CANDU)
- Kehittyneet reaktorit
Maailmalla tutkitaan eräitä edistyksellisiä reaktorityyppejä, joita ei vielä ole laajalti käytössä. Pisimmällä ollaan nopean hyötöreaktorin kehityksessä. Niitä on ollut sähköntuotantokäytössä mm. Japanissa sekä Ranskassa ja Venäjällä tuottaa energiaa tälläkin hetkellä hyötöreaktori. Nopean reaktorin suurin etu on polttoainetaloudellinen: reaktori itseasiassa tuottaa uutta polttoainetta käydessään, jopa enemmän kuin kuluttaa. Tämä perustuu transmutaatiolle, eli alkuaineen muuttamiselle toiseksi.
Nopeassa reaktorissa ei käytetä hidastinainetta. Fuusioreaktorin toiminta perustuu fission sijasta fuusioon.
Ydinvoiman käyttö
Ydinvoimaa käytetään hyvin vaihtelevissa käyttötarkoituksissa voimalaitoksista sukellusveneisiin, satelliiteista majakoihin. Ydinpolttoaineen suuri energiasisältö mahdollistaa toisaalta suurten energiamäärien tuottamisen pienillä materiaalivirroilla tai toisaalta sallii pitkäkestoisen energiantuotannon ilman tarvetta lisätä polttoainetta.
Ydinvoimalaitokset
Ydinvoimalaitoksia pidetään teollisuusmaiden jatkuvaan, mittakaavaltaan suureen sähkönkulutukseen sopivana energiamuotona, sillä jo varsin pienellä määrällä voimalaitoksia ja suhteellisen vähäisellä polttoainemäärällä voidaan kattaa teollisuusmaan sähköntarve miltei kokonaan tai osa siitä. Esimerkiksi Ranskassa 78% kaikesta sähköstä tulee jo ydinvoimasta ja ydinvoiman tuotantoa pyritään edelleen kasvattamaan.
Maailman ydinvoimajärjestön WNA:n mukaan ([3]) 25. toukokuuta 2005 maailmassa oli 439 ydinvoimareaktoria 30 maassa ja niiden yhteenlaskettu sähköteho oli 366 GW. Uusia voimalaitosreaktoreita oli rakenteilla 25, suunnitteilla 39 ja ehdotettu 73. Kaikesta maailman sähköstä noin 16% tuotetaan ydinvoimalla - mikä tekee ydinvoimasta vesivoiman veroisen maailman toiseksi merkittävimmän kasvihuonekaasupäästöttömän sähköenergianlähteen. Kaikesta tuotetusta energiasta ydinvoimalla tuotetaan noin 7%. Tuotantoon kulutettiin noin 68 tuhatta tonnia uraania. Tämä määrä mahtuisi kuutioon, jonka särmät ovat 15 metriä pitkät. Laskennallisesti siis koko maailman sähkönkulutus voitaisiin kattaa 400 tuhannella uraanitonnilla vuodessa, mikä mahtuisi kuutioon jonka särmät ovat 30 metriä pitkät.
Kevytvesireaktori (hidastinaineena tavallinen vesi) on selvästi yleisin voimalaitoskäytössä, niitä on yhteensä 355, joista 263 painevesireaktoreita ja 92 kiehutusvesireaktoreita. Seuraavaksi yleisin on CANDU-reaktori, joita on 38. Loput 46 ovat harvinaisempia reaktorityyppejä.
Merenkulku
Maailman merillä kulkee kymmenittäin ydinkäyttöisiä laivoja, joista suurin osa on sukellusveneitä. Sukellusveneelle ilmaa kuluttamaton, jopa vuosikymmeniä samalla polttoaineella käyvä voimanlähde sopii hyvin. Myös monien suurvaltojen laivastojen kauas kotimaasta matkustavat suuret pinta-alukset käyvät ydinvoimalla; erityisesti lentotukialuksissa ydinvoima on yleistä.
Ydinkäyttöisten alusten reaktorit suunnitellaan yleensä toimimaan vuosia tai vuosikymmeniä alkuperäisellä, telakalla tehdyllä latauksella. Jos laivan käyttöikää halutaan jatkaa polttoaineen keston yli, lataus voidaan uusia, mutta monesti laiva poistetaan vanhuuttaan käytöstä ennen sitä.
Ydinkäyttöisiä rahti- ja matkustajalaivoja on myös rakennettu. Yhdysvaltain prototyyppialuksen NS (Nuclear Ship) Savannahin, Saksan NS Otto Hahnin ja Japanin NS Mutsun oli tarkoitus olla kokonaisen rauhanomaisen ydinmerenkulun aikakauden edelläkulkijoita, mutta ydinvoimavastaisuuden yleistyttyä (katso ydinvoimakeskustelu) ydinmerenkulku on jäänyt lähinnä sotilaskäyttöön. (Simpson, 1995)
Poikkeuksena on Pohjoinen jäämeri, jonka vaativissa olosuhteissa ydinvoimanlähteen edut suhteessa dieselkäyttöisiin aluksiin ovat suuremmat kuin muilla merialueilla. Alueen jäänmurtajat ja Jäämeren suurin rahtilaiva NS Sevmorput ovat ydinkäyttöisiä. Jäämerellä on myös ydinkäyttöisiä majakoita, jotka saavat tehonsa isotooppiparistosta.
Yhteensä maailman merillä on ydinkäyttöisille aluksille tähän mennessä kertynyt 12000 reaktorinkäyttövuotta (WNA: [4]).
Avaruuslennot
Kauas suuntautuvilla avaruuslennoilla käytetään yleisesti ydinvoimaa, sillä muut voimanlähteet ovat vähemmän kestäviä, suurikokoisempia, vaikeammin ennustettavia tai kuluttavat enemmän polttoainetta. Tavallisin ydinenergianlähde avaruudessa on niin sanottu isotooppiparisto eli RTG (radiothermoelectric generator). Niitä on useimmissa syvälle aurinkokuntaan matkustavissa avaruusluotaimissa ja monilla planeettalennoilla. RTG perustuu radioaktiivisen aineen, usein plutoniumin, hajoamisessa syntyvän lämmön hyödyntämiseen termosähköisen jännitteen luomisessa. Isotooppiparistoja on käytetty mm. Apollo-kuulennoilla ja Cassini-luotaimessa.
Myös ydinreaktoreita käytetään avaruudessa ja sellainen soveltuu myös raketin voimanlähteeksi. Neuvostoliitto lähetti kiertoradalle useita RORSAT-satellitteja, joiden tutka saa energiansa ydinreaktorista. Yhdysvallat on kehittänyt ydinkäyttöisiä raketteja ja sellaista on myös kokeiltu avaruudessa Snapshot-lennolla 1965. (Simpson, 1995)
Sotilaallinen käyttö ja ydinaseriisunta
- Katso myös: ydinase ja ydinaseriisunta
Luonnonuraanista alle prosentti on fissiiliä eli ketjureaktiota ylläpitävää isotooppia U-235. Ydinvoimaloissa käytetään yleensä rikastettua uraania, jossa U-235-pitoisuus on noin kolme prosenttia. Ydinaseissa sen sijaan käytetään yli 95 prosentin rikastusastetta. Tästä syystä ydinaseen tekeminen ei onnistu käyttämällä ydinvoimaloiden polttoainetta sellaisenaan. Tavanomaisen ydinvoimalan kevytvesireaktori ei edesauta ydinasemateriaalin valmistuksessa, koska reaktori käydessään kuluttaa fissilejä aineita, joten polttoaineen rikastusaste laskee reaktorissa ollessaan.
Vaikka tavanomaisesta kevytvesireaktorilla toimivasta ydinvoimalasta ei aseenhankinnassa olekaan juuri apua, montaa muunlaista ydintekniikkaa voi käyttää sekä rauhanomaisesti että sotilaallisesti, kuten rikastusteknologiaa. Ydinpolttoainetta voidaan edelleen rikastaa ydinaseisiin kelpaavaksi, minkä takia ydinaineista pidetään kirjaa ja niiden määrä varmennetaan tarkastuksin ja valvonnalla. Suomessa ydinainevalvonnasta huolehtii säteilyturvakeskus ja kansainvälisesti IAEA. Valvonnan laajentamista fissiilien aineiden lisäksi sotilastekniikaksi kelpaavaan ydintekniikkaan on ehdotettu, sillä esimerkiksi Intia ja Pakistan hankkivat paljon asetuotantoon käytettyä ydinteknologiaa länsimaista ilmoittaen aikeekseen sen rauhanomaisen käytön. Ydinasehankkeen naamionti rauhanomaiseksi on yleensä kömpelöä tarvittavan tekniikan erilaisuuden ja IAEA:n tarkastusten takia. Kertaakaan peittelyllä ei ole onnistuttu salaamaan ydinasehanketta pommin valmistumiseen asti, eikä sellainen ole välttämättä tarpeenkaan, sillä jos maa ei kuulu ydinsulkusopimuksen piiriin, saa se täysin laillisesti hankkia ydinaseen. Ydintekniikan sotilaallinen käyttö ilman rauhanomaista voimalaitoskäyttöä on siis varsin mahdollista. Näin ovat toimineet ainakin Israel ja Pohjois-Korea.
Huomattavasti yleisempää on kuitenkin ydinvoiman rauhanomainen käyttö ilman sotilaallisia pyrkimyksiä: ilman vaativaa teknologista kykyä rikastaa fissiilien aineiden osuutta noin 90%:sesti luonnonuraanissa tai ydinpoltoaineessa ei ole teknisesti mahdollista valmistaa ydinasetta. Lisäksi miltei kaikki maailman maat ovat ydinsulkusopimuksella sitoutuneet olemaan valmistamatta ydinasetta, eikä tätä sitoomusta ole tähän mennessä rikottu kertaakaan. Ydinsulkusopimukseen kuulumattomia maita on tällä hetkellä koko maailmassa neljä. Ydinaseen hankkineet maat ovat – riippumatta siitä käyttävätkö ne ydinvoimaa vaiko eivät – poikkeuksetta joko hankkineet aseen ennen ydinsulkusopimuksen olemassaoloa tai olleet harvoja sopimuksen ulkopuolisia maita ja siten myös YK:n ydinainevalvonnan ulkopuolella.
Ydinvoimaloiden käyttö ydinaseriisunnan palveluksessa on merkkittävää. Kun ydinpommi puretaan, ydinräjähteeksi käyvät aineet jäävät jäljelle. Niistä voisi rakentaa uuden pommin, jollei niitä hävitetä. Hävittäminen tapahtuu yleensä laimentamalla ne ydinpolttoaineeksi kelpaavaksi ja sen jälkeen "polttamalla" ydinvoimalassa sähkön tuottamiseksi. Ilman luotettavaa tapaa tuhota ydinasemateriaaleja ydinaseriisunnan käytännön toteutus olisi vaikeaa tai miltei mahdotonta. Ydinaseista saatavan MOX-polttoaineen käyttäminen voimalaitoksissa on kohdannut vastustusta eri järjestöiltä (katso ydinvoimakeskustelu). (Hore-Lacey, 2003)
Vedenpuhdistus
Ydinvoimalaitos tuottaa suuria määriä energiaa. Koska kaikki ydinreaktorin lämpö ei ole muunnettavissa sähköksi, merkittävä osa energiasta täytyy johtaa lämpönä ympäristöön: vesistöön tai jäähdytystorneihin. On luonteva ajatus, että meren rannalla toimiva ydinvoimalaitos käyttää osan energiastaan suolanpoistoon. Toistaiseksi vedenpuhdistus ydinvoimalla keskittyy meriveden puhdistukseen, mutta teoriassa voitaisiin samantapaisella prosessilla kuumentamalla steriloida makeaa vettä. Nykyisin ydinkäyttöisen vedenpuhdistuksen merkitys on vähäinen koko maailman mittakaavassa, mutta paikallisesti sillä tuotetaan merkittäviä määriä puhdasta vettä.
Suuren lämmöntuotantonsa takia ydinvoiman tiedetään soveltuvan vedenpuhdistukseen ja sitä on tähän tarkoitukseen myös käytetty. Kaspianmeren rannalla Aktaussa Kazakstanissa toimi vuodesta 1972 vuoteen 1999 BN-350 -tyyppinen hyötöreaktorivoimala, joka tuotti 135 MW sähköä ja 3320 tonnia puhdasta vettä tunnissa. Japanissa on kymmenkunta suolanpoistolaitosta, jotka saavat käyttöenergiansa painevesireaktoreista. Näille reaktoreille on kertynyt yhteensä 100 vuotta reaktorinkäyttökokemusta.
Intiassa Madrakseen suunnitellaan demonstraatiolaitosta, jonka kahdella reaktorilla on tarkoitus tuottaa reilu 5000 tonnia puhdasta vettä päivässä. Hanke toimii prototyyppinä suuremmille 45000 tonnin päivätuotantoon kykeneville laitoksille. Kiinassa tutkitaan mahdollisuutta tuottaa 160000 tonnia puhdasta vettä päivässä ydinvoimalla Yantain alueella. Venäjällä rakennetaan lautoilla siirrettävää KLT-40 -reaktoria vedenpuhdistukseen.
Lämmitys
Yhtälailla kuin vedenpuhdistukseen, ydinreaktorin ylijäämälämpö soveltuu kaukolämmöksi. Tässä tarkoituksessa ydinvoimaa on käytetty Kanadassa, Venäjällä ja eräissä Itä-Euroopan maissa. Ruotsalainen ASEA suunnitteli yksinomaan kaukolämmitykseen tarkoitetun kaupunkireaktorin, jonka käyttöönottoa suunniteltiin pohjoismaissa (Choppin et al., 2002). Myös Loviisan ydinvoimalan lämmön hyödyntämistä kaukolämpönä on ehdotettu, mutta hanketta ei ole pidetty kannattavana. Ydinvoiman vastustus (katso ydinvoimakeskustelu) on sittemmin lopettanut lähes kaikki hankkeet ydinvoiman käyttämiseksi lämmityksessä.
Ydinpolttoainekierto
- Pääartikkeli: Ydinpolttoainekierto
Ydinvoimalat käyttävät tavallisesti polttoaineenaan uraanioksidia, jossa on 3–5 % fissiiliä uraani-235:ttä tai plutonium-239:ää, mikäli kyseessä on kierrätetty polttoaine. Ydinpolttoaineen energiatiheys on erittäin suuri, koska ydinvoimaloiden energiantuotanto perustuu fissioreaktioon eikä hapettamiseen, kuten polttolaitoksissa. Laskennallisesti kuutiosenttimetri uraania riittäisi henkilöauton voimanlähteeksi koko sen käyttöiäksi, mutta nykytekniikalla sellainen käyttötarkoitus olisi teknisesti epäkäytännöllinen. Sen sijaan voimalaitoskäyttöön ydinvoima on teknisesti sovelias.
Ydinpolttoaineen valmistus alkaa uraanikaivokselta. 1000 MW:n ydinvoimalan kuluttaman polttoaineen valmistusta varten kaivetaan tyypillisesti noin 50 000 tonnia uraanimalmia vuodessa. Vastaavan kokoisen hiilivoimalan kuluttaman hiilen tuottamiseen tarvitaan monikymmenkertaisesti kaivostoimintaa ([5], [6]). Koska luonnonuraanista vain 0,7 % on uraanin fissiiliä isotooppia U-235, täytyy luonnonuraani rikastaa kevytvesireaktoreissa käyttöä varten tarvittavaan pitoisuuteen.
Poltoaineen valmistuksessa uraanioksidi puristetaan ja sintrataan keraamisiksi tavallisesti sylinterinmuotoisiksi napeiksi, jotka ovat tilavuudeltaan yleensä alle kuutiosenttimetrin kokoisia. Keraaminen olomuoto on hyvin kestävä ja reagoimaton. Napit ovat kovia, kiinteitä ja liukenemattomia. Kukin nappi riittää noin 10 000 kilowattitunnin sähkön tuottamiseen. Uraaninapit pinotaan zirkoniumsauvoihin, jotka hitsataan umpinaisiksi ja kootaan nipuiksi. Niput laitetaan reaktoriin, jossa vesi kulkee sauvojen välissä ja lämpenee.
Ydinvoiman voimalaitoskäytölle on tyypillistä suhteellisen alhainen ydinpolttoaineen kulutus: keskikokoinen ydinvoimala kuluttaa noin kuutiometrin ydinpolttoainetta vuodessa. Tämä vastaa yli miljoonan hiilitonnin polttamista hiilivoimalassa. Käytettäessä ydinpolttoaineen olomuoto ei muutu, savukaasuja ei muodostu, eikä täten itse energiantuotantoprosessi aiheuta päästöjä tavallisten lämpövoimalaitosten tapaan.
Käyttämätön ydinpolttoaine ei säteile merkityksellisiä määriä. Vasta kun käytetty ydinpolttoaine poistetaan reaktorista, se säteilee voimakkaasti ja voisi aiheuttaa vaaraa lähellä oleskeleville jos säteilysuojelusta ei huolehdita. Käytetyn polttoaineen säilytys ja käsittely tapahtuu vesialtaassa, joka vaimentaa säteilyn miltei täysin. Käytetty ydinpolttoaine voidaan kierrättää 95-prosenttisesti jälleenkäsittelyn avulla, mutta Suomessa jälleenkäsittelyä ei harjoiteta. Jos jälleenkäsittelyä ei tehdä, käytetty ydinpolttoaine on ydinjätettä. (Hore-Lacey, 2003)
Käytetyn ja käyttämättömän ydinpolttoaineen kuljetuksia on käsitelty artikkelissa ydinpolttoainekierto.
Ydinpolttoaineen riittävyys
Uraani on uusiutumaton luonnonvara, mutta sangen yleinen (yhtä yleinen kuin tina) eikä sillä tunneta ydinteknisen käytön lisäksi muita merkittäviä käyttötarkoituksia. Kaivostoiminnan lisäksi ydinpolttoainetta saadaan kierrätyksellä jälleenkäsittelystä, ydinaseriisunnasta ja vanhoista varastoista. Maailman taloudellisesti hyödynnettävissä olevat tunnetut uraanivarat ovat noin 3 miljoonaa tonnia, joka nykyisellä noin 35 000 tonnin vuosittaisella kaivostoiminnalla riittäisi reiluksi 80 vuodeksi. Jos uraanin hinta nousisi huomattavasti, käytettävissä olevat malmivarannot kasvaisivat hyvinkin 100 miljoonan tonnin mittaluokkaan. Täten ydinvoimalla voitaisiin tuottaa energiaa huomattavasti nykyistä suuremmankin kulutuksen kattamiseksi ainakin useita vuosisatoja. (OECD ja IAEA, 2000; Fells, 2005)
Uraanin riittävyydessä ei ole niinkään kyse uraanin määrästä, vaan pikemminkin sen hinnasta. Voimakkaastikaan kallistuva uraani ei välttämättä vaarantaisi ydinvoiman taloudellisuutta, sillä uraaniraaka-aineen osuus ydinsähkön hinnasta on vain joitain prosentteja - täten uraanin hinnan kaksinkertaistuminen merkitsisi vain muutaman prosentin nousua sähkön hinnassa. Jos uraanin hinta edelleen nousisi aina satoihin euroihin kilolta, yllä mainittujen malmivarantojen lisäksi jopa uraanin eristäminen merivedestä tai tavallisesta graniitista tulisi kannattavaksi. Graniitissa on tyypillisesti verrattain suuri uraanitiheys ja johtuen uraanin korkeasta energiasisällöstä kilogramma graniittia sisältää huomattavasti suuremman määrän energiaa kuin hiilivoimalassa poltettu kivihiilikilo. Kaikkiaan uraania on siis saatavilla hyvinkin kymmenien tuhansien vuosien tarpeeseen ja pidemmällekin. (Cohen, 1983; Fells, 2005) Uraanin lisäksi voidaan ydinpolttoaineena hyödyntää myös huomattavasti yleisempää toriumia. Toistaiseksi toriumin käyttö ei ole ollut kannattavaa koska uraania on saatavilla edullisesti, mutta tarvittaessa sillä voidaan kasvattaa saatavilla olevan ydinpolttoaineen riittävyyttä entisestään. (IAEA, 2000) Toinen mahdollisuus liittyy fuusioenergiaan, joka hyödyntää polttoaineenaan vetyä. Vetyä on mahdollista erottaa vedestä, joten maailman meret tarjoaisivat fuusiovoimaloille miltei ehtymättömän polttoainevarannon.
Ydinjätehuolto
- Pääartikkeli: Ydinjätehuolto
Ydinvoiman käytössä syntyy ydinjätteitä, jotka eroavat tavallisista jätteistä radioaktiivisuutensa takia. Ydinjätteitä syntyy merkittävässäkin ydinvoiman käytössä pieniä määriä verrattuna muiden teollisuusalojen synnyttämiin onglemajätteisiin. Kaikkien ydinjätteiden määrä verrattuna kaikkiin teollisuuden ongelmajätteisiin on alle 1% ja korkea-aktiivisten jätteiden määrä noin 0,03%. Tilavuutensa puolesta suurenkin ydinvoimalan koko elinkaaresta jäljelle jäävät ydinjätteet mahtuvat yhteen varastoon. (Euroopan Komissio, 1985) Suomessa matala- ja keskiaktiiviset jätteet varastoidaan laitospaikalle yhteen keskitettyyn varastoon ja samoin välivarastoidaan käytetty ydinpolttoaine.
Määrällisesti selvästi eniten syntyy matala- ja keskiaktiivisia jätteitä, joihin kuuluvat mm. heikosti radioaktiiviset aineet tai aktiivisten aineiden tahrimat työvaatteet, suojavarusteet, työvälineet, laitteet, osat sekä suodattimet ja suodatusjätteet. Ydinjätteiden aktiivisuus laskee nopeasti. Suurimman osan jätteistä kohdalla radioaktiivisuuden puoliintumisaika on niin lyhyt, että jätteet yksinkertaisesti varastoidaan odottamaan radioaktiivisuuden häipymistä omia aikojaan. Kun aktiivisuus on laskenut tarpeeksi jäteet kierrätetään tai toimitetaan tavalliseen jätehuoltoon. Ne jätteet, joiden kohdalla odottaminen kestäisi liian pitkään - noin vuosisadan tai enemmän - säilytetään vartioiduissa varastoissa tai loppusijoitetaan paikkaan jossa vartiointi ei ole tarpeen, yleensä suljettuun kallioluolaan. Matala- ja keskiaktiivisen ydinjätteen loppusijoitusta toteutetaan aktiivisesti ympäri maailman. (STUK: [7])
Määrällisesti selvästi vähemmän syntyy korkea-aktiivista jätettä, joka on pääasiassa käytettyä ydinpolttoainetta. Kuten matala- ja keskiaktiivisellakin ydinjätteellä, laskee käytetyn ydinpolttoaineen aktiivisuus nopeasti: ensimmäisenä vuonna reaktorista poiston jälkeen 99%. Koska lähtötaso on korkea, kestää kauan, ennen kuin säteily on vaimentunut niin paljon, että käytetyn polttoaineen lähellä on turvallista oleskella. Kuparisen loppusijoituskapselin vieressä voi olla muutaman vuosikymmenen kuluttua. Itse polttoaineen läheisyydessä voi turvallisesti oleskella vajaan tuhannen vuoden kuluttua. Sen jälkeen käytetty polttoaine voisi aiheuttaa varaa lähinnä nieltynä tai hengitettynä sillä se on myrkyllistä kuten luonnon uraanikin. Yhdysvlloissa ympäristönsuojeluvirasto EPA on asettanut loppusijoituksen tavoitteeksi ainakin 10000 vuoden eristäminen elollista luonnosta, Suomessa tähdätään vielä tätäkin pidempään eristämiseen. (NEA, 1996)
Käytetyn ydinpolttoaineen jätehuollolle on esitetty lukuisia erilaisia ratkaisuja. Noin 95% käytetystä polttoaineesta voidaan kierrättää jälleenkäsittelyllä, jota tehdään mm. Ranskassa ja Japanissa. Muista jätehuollon vaihtoehdoista geologinen loppusijoitus on merkittävin. Yhdistyneiden kansakuntien alaisen Kansainvälisen atomienergiajärjestön, OECD:n ydinenergiajärjestö NEA:n, ja Euroopan yhteisöjen yhteinen kanta on (OECD, 1999), että
- "nykyisin on olemassa menetelmiä arvioida riittävällä tarkkuudella hyvin suunnitellun loppusijoitusjärjestelmän mahdollisia pitkän aikavälin radiologisia vaikutuksia ihmisiin ja ympäristöön, ja [...] että oikeanlainen turvallisuuden arviointi yhdistettynä riittävään tietotasoon ehdotetusta loppusijoituspaikasta voi tarjota teknisen perustan päättää tarjoaako tietty loppusijoitusratkaisu riittävän turvallisuustason nykyiselle ja tuleville sukupolville."
Toisaalta ydinvoimakeskustelussa esiintyy myös loppusijoituksen vastaisia mielipiteitä ja epäilyksiä sen onnistumisesta jätehuoltoratkaisuna koska loppusijoituksen erittäin pitkä kesto asettaa haasteita loppusijoituksen turvallisuuden varmistamiselle. Toistaiseksi käytetyn polttoaineen loppusijoitusta ei ole vielä toteutettu missään, mutta loppusijoitushankkeita on käynnissä useissa maissa, mm. Ranskassa, Yhdysvalloissa, Saksassa, Ruotsissa ja Suomessa. (STUK: [8])
Ympäristövaikutukset
Ydinvoiman normaalikäytön ympäristövaikutukset ovat elinkaaritarkastelussa vähäiset verrattuna muihin huomattaviin energianlähteisiin, koska ydinvoimalaitos ei synnytä ympäristölle haitallisia päästöjä tai kasvihuonekaasuja (Euroopan komissio, 2003). Merkittävimmät ydinvoimalaitoksen haittavaikutukset ovat kaikille lämpövoimalaitoksille yhteisiä, eivätkä ne koske erityisesti ydinvoimalaitoksia. Näistä ydinvoiman tapauksessa huomattavin on lauhduttimen jäähdytykseen käytetyn meriveden lämpeneminen. Mereen palatessaan se lämmittää vesistöjä ja saattaa aiheuttaa paikallisia ekosysteemimuutoksia suosien paikallisesti lämpimän alueen lajeja kylmän alueen lajien kustannuksella. Muita vaikutuksia ovat mm. paikallinen melu ja liikenne laitosalueelle.
Säteilyturvallisuus
- Pääartikkeli: Säteilyturvallisuus
Ydinvoiman käyttöön liittyy ionisoiva säteily ja radioaktiivisuus, joiden huomioon ottaminen tekee ydinvoiman käytöstä erilaista muihin energianlähteisiin verrattuna. Ydinvoimalan prosessissa esiintyy eri ionisoivan säteilyn lajeja ja radioaktiivisia aineita, jotka voivat olla terveydelle vaarallisia. Ydinvoimalaitoksen eräät työntekijät voivat työssään altistua ionisoivalle säteilylle ja heidän kohdallaan on huolehdittava säteilysuojelusta.
Ympäristössään ydinvoimalan käyttö ei kasvata ionisoivan säteilyn tai radioaktiivisuuden määrää kuin korkeintaan hyvin pieniä määriä luonnolliseen säteilyyn verrattuna; tyypillisesti eniten altistuvien ulkopuolisten ihmisten kohdalla ydinvoimala aiheuttaa korkeintaan tuhannesosien muutoksen normaalissa vuotuisessa säteilyannoksessa. Muu väestö altistuu tätä vähemmän. (STUK, 2001)
Ydinturvallisuus
- Pääartikkeli: Ydinturvallisuus
Ydinvoiman käytölle on ominaista, että siihen liittyvä ionisoiva säteily ja radioaktiivisuus voivat aiheuttaa vaaraa, jos ydinturvallisuudesta ei ole huolehdittu. Radioaktiivisuutta ja ionisoivaa säteilyä hyödynnetään laajalti myös ydintekniikan ulkopuolella (muun muassa radiologisessa lääketieteessä), jolloin täytyy myös huolehtia toiminnan säteilyturvallisuudesta.
Ydinturvallisuuden takaamiseksi ydinvoimalaitoksissa pyritään noudattamaan ydinturvallisuusperiaatteita, joista merkittävimmät ovat
- Paras mahdollinen turvallisuus: turvallisuusfilosofia, jonka mukaan turvallisuustaso tehdään niin korkeaksi kuin se käytännöllisin toimin on mahdollista
- Syvyyssuuntainen turvallisuusajattelu: onnettomudeen estäminen tapahtuu usealla peräkkäisellä toisiaan varmentavalla tasolla
- Konservatiiviset arviot: suunnittelun lähtökohdaksi valitaan pahimpia mielekkäästi kuviteltavissa olevia tapahtumia ja olosuhteita
- Varautuminen: turvallisuussunnittelu perustuu vikoihin ja virheisiin varautumiseen
- Stabiilin tekniikan käyttö: tekniikan suunnittelu siten, että se pyrkii luonnostaan turvalliseen tilaan
- Moninkertainen varmentaminen: turvallisuuden kannalta olennaisten laitteiden suunnittelussa noudatetaan rinnakkais-, erilaisuus- ja erotteluperiaatetta (kts. ydinturvallisuus)
- Peräkkäiset esteet: ydinpolttoaineen radioaktiiviset aineet eristetään ympäristöstä peräkkäisin estein siten, että vaikka yksi este pettäisi on jäljellä useita muita esteitä
- Suuret turvallisuusmarginalit sekä laitoksen mitoituksessa että hyväksymiskriteereissä
- Henkilökunnan koulutus ja ammattitaidon ylläpito turvallisuutta ja odottamattomissa olosuhteissa toimimista painottaen
- Turvallisuuskulttuuri, jonka mukaan turvalisuus varmistetaan jokaisella tasolla ja jokaisen toimenpiteen yhteydessä
- Valvonta: laitoksen ja sen operoinnin riippumaton ja läpitunkeva valvonta (kts. Säteilyturvakeskus)
Länsimaisissa ydinvoimalaitoksissa mainittuja turvallisuusperiaatteita on noudatettu ja niiden toimivuus on varmennettu käytännössä: yksittäiset puutteet ydinvoimalaitoksen turvallisuudessa eivät ole kertaakaan johtaneet ympäristölle aiheutuvaan vaaratilanteeseen, koska muut ydinturvallisuustoimet ovat toimineet suunnitellusti. Länsimaisille voimaloille on kertynyt yhteenlaskettuna yli 10 000 reaktorinkäyttövuotta ilman että olisi sattunut yhtään ympäristölle vaarallista onnettomuutta. Muualla kuin länsimaissa ydinturvallisuusperiaatteiden noudattaminen ei välttämättä ole yhtä hyvällä tasolla. (STUK, 2004)
Ydinonnettomuudet
- Pääartikkeli: Ydinonnettomuus
Ylläkuvattuja periaatteita ydinturvallisuudessa noudattamalla on ydinonnettomuudet länsimaissa saatu suhteellisen harvinaisiksi ja niiden vaikutukset rajattua voimaloihin. Muunkinlaisia kokemuksia historia tuntee. Pahimmillaan onnettomuudelle alttiilla reaktorilla varustettua voimalaitosta, joka on suunniteltu noudattamatta ydinturvallisuuden perusperiaatteita, operoi turvallisuuden osalta puutteellisesti koulutettu ja huonosti motivoitunut henkilökunta välittämättä turvallisuusmääräyksistä ja ilman riippumatonta valvontaa. Tällainen oli tilanne Tšernobylissä, jossa tapahtui erittäin vakava onnettomuus.
Länsimaisten voimaloiden, joissa ylläkuvattuja ydinturvallisuuperiaatteita on noudatettu, onnettomuustodennäköisyyttä sen sijaan on hankala arvioida. Tavallisesti onnettomuustodennäköisyys lasketaan yksinkertaisesti jakamalla tapahtuneet onnettomuudet toiminnan kestolla. Länsimaisten ydinvoimaloiden kohdalla näin ei kuitenkaan voida menetellä koska vaikka niille on kertynyt yhteensä yli 10000 reaktorinkäyttövuotta, ei tuona aikana ole kertaakaan tapahtunut ympäristölle vaarallista onnettomuutta. Tämän kokemuksen perusteella siis tiedetään, että sellaisen onnettomuuden mahdollisuus on hyvin vähäinen.
Vakavan reaktorionnettomuuden todennäköisyyttä hyvän ydinturvallisuuden voimalaitoksessa on arvioitu laskennallisesti. Tällöin määritetään ensin vakavan onnettomuuden edellytykset ja sitten arvioidaan todennäköisyys näiden edellytysten yhtäaikaiselle ilmenemiselle. Historiallisesti laskennallinen todennäköisyys reaktorisydämen vaurioitumiselle on ollut reaktorityypistä riippuen noin yksi tapaus 1000 - 100 000 vuodessa. Nykyaikaisessa ydinvoimalassa todennäköisyys on tyypillisesti selvästi vähäisempi kuin yksi tapaus 100 000 vuodessa. Eurooppalaiset viranomaiset edellyttävät uudelta reaktorilta suunnitteluperusteena laskennallisesti alle yhtä tapausta miljoonassa vuodessa. Silti näinkin harvinaisiin onnettomuuksiin on varauduttu ja ydinvoimalaitokset suunnitellaan siten, että onnettomuuden vaikutukset rajataan ensisijaisesti reaktorin ja toissijaisesti laitoksen sisälle. Tarkempi kuvaus ydintekniikkaan liittyvän riskin arvioinnista on artikkelissa ydinturvallisuus. (STUK, 2004; Francois, 2000)
Vaikka ydinvoimalaitosten historia ei Tšernobylin onnettomuuden lisäksi tunne muita ympäristölle vaaraa aiheuttaneita onnettomuuksia, on vaikutuksiltaan lievempiä ydinonnettomuuksia sattunut useita. Korkean ydinturvallisuuden laitoksissa vaikutukset ovat aina rajoittuneet laitoksen sisälle. Länsimaisista onnettomuuksista vakavin oli Three Mile Islandin onnettomuus. Onnettomuuden katsotaan olleen tähän asti merkittävin korkean ydinturvallisuuden toimivuuden koettelu. Three Mile Islandilla turvallisuusjärjestelyjen toiminta esti vaaran aiheutumisen ympäristölle. (STUK, 2004)
Lisätietoja ydinonnettomuuksista on artikkelissa Luettelo ydinonnettomuuksista.
Ydinvoiman valvonta
Ydinvoiman käytöstä määrätään ydinenergialaissa ([9]) seuraavaa:
- 5 § Yhteiskunnan kokonaisetu Ydinenergian käytön tulee olla, sen eri vaikutukset huomioon ottaen, yhteiskunnan kokonaisedun mukaista.
- 6 § Turvallisuus Ydinenergian käytön on oltava turvallista eikä siitä saa aiheutua vahinkoa ihmisille, ympäristölle tai omaisuudelle.
Muunlainen ydinenergian käyttö on Suomessa laitonta. Ydinenergialain ja muiden ydinenergiaa koskevien lakien ja määräysten noudattamista valvotaan sekä kansallisesti, että kansainvälisesti.
Kauppa- ja teollisuusministeriö
 | Kauppa- ja teollisuusministeriö eli KTM vastaa ydinenergian ylimmästä valvonnasta sekä ydinenergian käytön johdosta Suomessa. Ministeriö valmistelee alan lainsäädännön ja huolehtii sen täytäntöönpanosta. KTM osallistuu Suomen edustajana ydinalan kansainvälisten sopimusten valmisteluun. KTM valvoo Suomen ydinjätehuoltoa ja hallinnoi ydinsähkön hintaan lisätyistä maksuista kerrättyä Valtion ydinjäterahastoa. KTM edustaa Suomea Euratomissa, IAEA:ssa ja OECD:n atomienergiajärjestössä (NEA) sekä pohjoismaisessa ydinturvallisuuden tutkimusohjelmassa (NKS). |
Säteilyturvakeskus
 | Säteilyturvakeskus eli STUK on ydinvoimalaitosten suunnittelua ja käyttöä valvova laitosoperaattoreista ja poliittisista päättäjistä riippumaton viranomainen. Muissa maissa on vastaavat ydinturvallisuuden valvontaviranomaiset. |
Euroopan atomienergiayhteisö
| Euratomin logo | Euroopan atomienergiayhteisö eli Euratom on Euroopan unionin ydinvoima-alan yhteisö, jolla on viranomaisvaltuudet. Se valvoo ydinvoiman käyttöä Euroopan Unionin alueella. |
Kansainvälinen atomienergiajärjestö
 | Kansainvälinen atomienergiajärjestö eli IAEA on Yhdistyneiden kansakuntien ydinenergiajärjestö, joka valvoo ydintekniikan ja ydinaineniden käyttöä kansainvälisesti. Sillä on valvontaoikeus kaikissa ydinsulkusopimuksen allekirjoittajamaissa. |
Ydinvoiman taloudellisuus
Ydinvoiman tuotantoon liittyy monia eri maksuja. Ydinsähkön hinta sisältää muun muassa ydinjätehuollon kustannukset, ydinlaitosten viranomaisvalvonnan kustannukset, ydinvoimalaitoksen purkukustannukset mukaan lukien jätehuollon sekä ydinvastuuvakuutuksen. Ydinvastuuvakuutus on lailla määrätty otettavaksi ydinonnettomuuden mahdollisten vahinkojen korvaamiseksi. Ydinvastuuvakuutuksen korvauskatto on 2,3 miljardia euroa riittää vakavienkin onnettomuusvahinkojen korvaamiseen, mutta ei hyvin epätodennäköisten katastrofivahinkojen korvaamiseen. Tämän vuoksi vakuutussumman korottamisesta on keskusteltu.
Huolimatta hintaa kasvattavista maksuista on ydinvoima osoittautunut suhteellisen halvaksi energiamuodoksi. Teollisuuden Voiman mukaan uusimman Suomeen rakennettavan voimalan sähkön hinnaksi tulee 2,2 senttiä per kilowattitunti. EU:n komissio on arvioinut ydinsähkön hinnaksi 4,5 senttiä/kWh. Ydinvoima tuottaa siis kokonaisuutena tarkasteltuna halpaa sähköä: sen yleisen hintatason alittaa ainoastaan vesivoiman hintataso.
Ydinvoima ja yhteiskunta
- Pääartikkeli: ydinvoimakeskustelu
Ydinvoimalla voidaan nähdä olevan sekä etuja ja haittoja, joita ydinvoiman kannattajat ja vastustajat usein tuovat julkisesti esille. Itseasiassa ydinvoiman käyttö on voimakkaasti polarisoitunut poliittinen kysymys ja sitä koskevaa keskustelua ja argumentointia esiintyy aika-ajoin medioissa. Ydinvoimaan liittyen järjestetään myös mielenosoituksia, mielenilmauksia ja mainoskampanjoita. Ydinvoimakielteiset mielenosoitukset ovat myönteisiä yleisempiä.
Useimmissa mielipidemittauksissa ydinvoiman käyttö saa osakseen enemmän kannatusta kuin vastustusta. Vastustajia on kuitenkin merkittävä vähemmistö. Ydinvoiman lisärakentamisesta mittaukset antavat vaihtelevia tuloksia. Mielipidemittausten tuloksia on esitelty artikkelissa ydinvoimakeskustelu.
Ydinvoimasta käytävä poliittinen kiistely on sikäli merkittävää, että ydinvoiman tuotantoon liittyy vahvasti poliittinen lupamenettely, johon yleensä liittyy laaja julkinen keskustelu. Toisin sanoen ydinvoiman tuotantomäärä ei kasva tai vähene vapaasti kysynnän mukaan, vaan sen käytön sallimisesta ja rajoittamisesta päättävät vaaleilla valitut poliitikot.
Silloin kun ydinvoimaloiden rakentamiselle on lupa myönnetty, niitä yleensä käytetään suurella käyttöasteella koska edullisen, vakaasti tuotetun perusenergian kysyntä on teollisuusmaissa suurta. 50-80 luvuilla ydinvoiman kasvu oli erittäin nopeaa ja eräissä maissa, kuten Ranskassa, sillä korvattiin fossiilisten polttoaineiden käyttö sähköntuotannossa lähes kokonaan. (Choppin et al., 2002)
Ydinvoimasta tehtävään poliittiseen päätöksentekoon on vaikuttanut paljon viime vuosikymmenien näkyvä ydinvoimakeskustelu, jossa molemmat puolet ovat käyttäneet erilaisia argumentteja, joita esitellään artikkelissa ydinvoimakeskustelu. Monissa maissa ydinvoiman rakentaminen on polittisella päätöksellä hidastunut, ellei jopa pysähtynyt.
Suomi ja Ruotsi (kts. kaavio oikealla) ovat esimerkkejä maista, joissa ydinvoiman tuotantoa on pitkään kasvatettu määrätietoisesti. Sen seuraksena fossiilisten polttoaineiden osuus on selvästi pienempi kokonaisenergiantuotannossa, kuin teollisuusmaissa yleensä. Ruotsissa ja Suomessa on lisäksi mahdollista käyttää biopolttoaineita ja vesivoimaa merkittävästi, mikä myös näkyy kaavioissa.
Saksa ja Tanska ovat maita, joissa ydinvoiman käyttö on vähäistä. Tanskassa ydinvoimaan tuotantoa ei ikinä edes aloitettu ja Saksassa aluksi kasvanut ydinvoiman tuotanto on päätetty lopettaa. Näin ollen maiden energiantuotanto tapahtuu enimmäkseen fossiilislla polttoaineilla, sillä huolimatta yrityksistä lisätä uusiutuvien energianlähteiden käyttöä, ei niillä ole ollut muuta kuin marginaalista merkitystä kokonaisenergiankulutuksen kannalta, varsinkin kun Saksassa ja Tanskassa biopolttoaineiden ja vesivoiman käyttöön on rajalliset mahdollisuudet.
Ydinvoima Suomessa
Ydinvoimaa piti rakentaa aikoinaan Suomeen nykyistä enemmän, muun muassa Helsinki osti Vuosaaren vierestä Sipooseen kuuluvan Granön saaren uutta ydinvoimalaa varten. Voimaloita ei lopulta rakennettu läheskään visioituja määriä.
Tällä hetkellä Suomessa on neljä ydinreaktoria, joilla tuotetaan noin neljännes Suomessa käytetystä sähköstä. Lisäksi Espoon Otaniemessä on pieni tutkimusreaktori Triga. Sen yhteydessä on vaikeiden aivokasvainten hoidossa käytettävä gammaveitsi, joka hyödyntää tutkimusreaktorin tuottamaa säteilyä.
Sähköntuotannossa olevista ydinreaktoreista kaksi sijaitsee Satakunnassa Eurajoen Olkiluodon saarella lähellä Raumaa. Niiden omistaja on TVO eli Teollisuuden Voima. Toiset kaksi sijaitsevat Itä-Uudellamaalla Loviisassa Helsingin lähistöllä, ne on sijoitettu Hästholmenin saarelle.
Eurajoen kiehutusvesireaktorit (BWR) valmisti ruotsalainen Asea-Atom, nykyinen monikansallinen ABB. Loviisan painevesireaktorit (PWR) ovat neuvostoliittolaisen Atomenergoexportin tuotosta. Loviisan 1. yksikkö aloitti sähköntuotannon helmikuussa 1977 ja 2. yksikkö marraskuussa 1980. Olkiluodon reaktorit otettiin tuotantokäyttöön vuosina 1979 ja 1982.
Eduskunta antoi vuonna 2002 TVO:lle luvan rakentaa viidennen ydinvoimalaitosyksikön Olkiluotoon, joka on tarkoitus ottaa tuotantokäyttöön keväällä 2009. Uusi laitos on tekniikaltaan ns. kolmannen sukupolven kevytvesireaktori, ja malliltaan ns. European Pressurized Water Reactor, eli EPR. Voimala tulee olemaan sähköteholtaan (1600 MW) maailman suurin yksikkö. Laitoksen höyryturbiini on maailman suurin höyryturbiini. Uuden voimalan toimittaa saksalais-ranskalainen Framatome-Siemens-konsortio, ja sen on tarkoitus olla valmis vuonna 2009.
Ydinvoiman tulevaisuus
Ydinvoiman kehitystyö jatkuu aktiivisena ympäri maailman. Ydinvoimalle etsitään jatkuvasti uusia sovelluskohteita ja olemassaolevaa tekniikkaa parannetaan. Toisaalta myös uusia ydinenergiamuotoja tutkitaan. Ydinvoiman käytön hyväksyttävyyteen vaikuttavat toisaalta ydinvoimaan kriittisesti suhtautuvien ihmisten huolet ydinvoiman haitoista ja toisaalta myönteisesti suhtautuvien painottamat edut. Ydinvoimakeskustelu jatkunee siis aktiivisena tulevaisuudessakin.
Kiihdytinreaktori
Eräs ydinreaktoreiden kehityssuunta on kiihdytineraktori eli ADS (Accelerator Driven Systems). ADS:ssä saattaa muodostua merkittäväksi tavaksi hävittää pitkäikäisiä radioaktiivisia aineita ja tehdä samalla sähköä. Samaan pystyvät myös jossain määrin hyötöreaktorit. Tällä käsittelyllä käytetyn ydinpolttoaineen aktiivisuus tippuu tuhannen vuoden kuluessa alle luonnonuraanin aktiivisuuden. Nykyisin geologinen loppusijoitus on yleisesti parhaana pidetty, mutta silti erittäin kiistelty käytetyn polttoaineen ydinjätehuollon vaihtoehto. Hyötöreaktoreilla tai kiihdytinvoimaloilla voitaisiin myös parantaa polttoaineiden saatavuutta huomattavasti, sillä ne pystyvät käyttämään uraanin ja toriumin kaikki luonnossa esiintyvät isotoopit hyödyksi.
Polttoainetaloudellisuus
Uudet polttoaineet ja reaktorit voivat ottaa energian tehokkaammin irti uraanista, ja täten samasta määrästä polttoainetta saadaan enemmän sähköä ja lämpöä poistopalaman kasvaessa. Nykyinen energiatehokkuus lienee Suomessa noin 45 MWd/kg, ja tulevaisuudessa on mahdollista saavuttaa 65 MWd/kg tai enemmän, jopa perinteisellä reaktoritekniikalla. Uusilla reaktorityypeillä polttoaineen käyttö tehostuu entisestään. hyötöreaktoreiden käyttö mahdollistaa uuden polttoaineen tuottamisen samalla kun reaktori toimii. Sen lisäksi on olemassa uusia kaasuturbiinivoimaloita ja suunnittelupöydällä superkriittisiä kevytvesireaktoreja, joiden hyötysuhde on jopa lähes 50 % verrattuna nykyiseen noin 30%:iin.
Fuusio
- Pääartikkeli: Fuusioreaktori
Tulevaisuudessa fuusioreaktio saattaa tarjota miltei ehtymättömän energianlähteen. Fuusioenergian hyödyntäminen käytännössä on kuitenkin vuosikymmenten päässä. Fuusioenergian hinta saattaa myös muodostua suhteellisen korkeaksi. Kansainvälinen ITER-tutkimushanke tähtää toimivan, voimalaitoskoon fuusioreaktorin prototyypin rakentamiseen Cadarcheen Ranskaan. Kun ITER:n käyttö näillä näkymin 2016 alkaa, voidaan alkaa suunnitella ensimmäisiä prototyyppivoimalaitoksia reaktorin käytöstä saatujen kokemusten perusteella. Fuusiovoiman on arveltu olevan tuotantokäytössä aikaisintaan 2050. Fuusio hyödyntää vedyn kahta isotooppia, Deuteriumia ²H ja Tritiumia ³H ja perustuu atomien yhdistämiseen päinvastoin kuin fissio. Reaktiotuote on helium: stabiili ja myrkytön jalokaasu. Merivedestä saadaan deuteriumia ja litiumista tritiumia, joten fuusioreaktorin polttoainetta riittää koko näköpiirissä olevaan tulevaisuuteen. Valmistusprosessi on kuitenkin suhteellisen monimutkainen.
Lähteet
- [1] Uranium information center - Australian uraanintuottajien tilastoja
- [2] U.S. Geological Survey - Maailman energiankulutus
- [3], [4] Maailman ydinvoimajärjestö WNA - päivitetyt ydinvoimatilastot
- Uraanimalmin ja hiilen määrä laskettu lähteistä [5] Uranium Information Centre: The nuclear fuel cycle - Australian uraanintuottajien ylläpitämä sivusto ja [6] Helsingin Energia: Ympäristöraportti 2000
- [7], [8] Loppusijoituslaitokset ja suunnitelmat eri maissa - Säteilyturvakeskuksen laatima yhteenveto
- [9] Ydinenergialaki - Eduskunta, 11.12.1987/990
- Euroopan komissio: External Costs - Research results on socio-environmental damages due to electricity and transport, Bryssel, 2003, EUR 20198, ISBN 92-894-3353-1
- Euroopan komissio: Radioactive Waste Management and Disposal, Bryssel, 1985, EUR 10163, ISBN 0-521-32580-3
- Säteilyturvakeskus (STUK): Säteily ydinvoimalaitosten ympäristössä, Helsinki, 2001
- Choppin et al.: Principles of Nuclear Power, 19. luku kirjasta Radiochemistry and Nuclear Chemistry, MA, USA, 2002, ISBN 0-7506-7463-6
- Simpson, J.: Nuclear Power from Underseas to Outer Space, American Nuclear Society, La Grange Park, IL, USA, 1995, ISBN 0-89448-559-8
- Hore-Lacey, Ian: Nuclear Electricity, Melbourne, Australia, 2003, ISBN 0-9593829-8-4
- Nuclear Energy Agency (NEA): Radioactive Waste Management in Perspective, Pariisi, 1996, ISBN 92-64-14692-X
- Säteilyturvakeskus (STUK): Ydinturvallisuus, Hämeenlinna, 2004, ISBN 951-712-500-3
- Francois, B: European Passive Reactor (EPR), Nu-Power Vol.14 No.3, Mumbai, 2000
- Spadaro, J. et al.: Greenhouse Gas Emissions of Electricity Generating Chains, IAEA Bulletin Vol.42, Wien, 2000, ISSN 0020-6067
- OECD ja IAEA: Uranium 1999: Resources, Production and Demand, Pariisi, 2000 ISBN 92-64-17198-3
- IAEA: Thorium based fuel options for the generation of electricity: Developments in the 1990s, Wien, 2000, IAEA-TECDOC–1155, ISSN 1011-429
- Cohen, B.: Breeder Reactors: a Renewable Energy Source, American Journal of Physics, 51, Melville, NY, USA, 1/1983, ISSN 0002-9505
- Fells, N.: Nuclear Power, MS Encarta Online Encyclopedia, 2005
Aiheesta muualla
Yliopistojen ja tutkimuslaitosten sivuja
- Tampereen teknillisen yliopiston artikkeli eri energianlähteistä
- Teknillisen korkeakoulun Ydinenergiatekniikan perusteet -kurssin sivu - kohdassa kirjallisuus voi ladata ydinvoimaa koskevaa tietoa.
- Massachussettsin teknillisen korkeakoulun (MIT) tutkimus ydinvoiman tulevaisuudesta (engl.)
Ydinvoima-alan viranomaisten ja hallitustenvälisten järjestöjen sivuja
- Kauppa- ja teollisuusministeriön ydinvoimasivut
- Säteilyturvakeskuksen ydinvoimasivut
- Kansainvälinen atomienergiajärjestö - YK:n atomienergiajärjestö (engl.)
- Euroopan atomienergiayhteisö Euratom - EU:n ydinenergiaviranomainen (engl.)
- OECD:n atomienergiajärjestö NEA - Hallitustenvälinen yhteistyöelin ydintekniikan, ydintutkimuksen, ydinturvallisuuden, lainsäädännön ja ympäristönsuojelun alalla. (engl.)
- Nuclear Energy Today - NEA:n laajahko julkaisu ydinenergian nykytilasta. (engl.)
- Ydinenergia ja Suomi suomeksi ja englanniksi - Kauppa- ja teollisuusministeriön ([10]) sekä Atomiteknillisen seuran ([11]) PDF-esite ydinenergiasta
- Australian ydintekniikkaviranomaisen ANSTOn koulutussivu (engl.)